Сущность финишного плазменного упрочнения состоит в нанесении износостойкого алмазоподобного нанопокрытия при атмосферном давлении. Покрытие является продуктом плазмохимических реакций паров реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон.

 

Цель финишного плазменного упрочнения - изготовление инструмента, штампов, прессформ, ножей, фильер, подшипников и др. деталей машин со специальными свойствами поверхности: износостойкостью, антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, разгаростойкостью, антисхватыванием, стойкостью против фреттинг - коррозии и др.

 

Эффект от финишного плазменного упрочнения достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.

 

Отличительные особенности финишного плазменного упрочнения По сравнению с аналогами  -  ионно-плазменным напылением, лазерным и электроискровым упрочнением, эпиламированием, нанесением кластерных покрытий - данный процесс имеет преимущества:

 

• высокая воспроизводимость и стабильность упрочнения за счёт двойного эффекта  -  от износостойкого покрытия и структурных изменений в тонком приповерхностном слое;

 

• проведение процесса упрочнения на воздухе при температуре окружающей среды не требует применения вакуумных или других камер и ванн;

 

• вследствие нанесения тонкоплёночногопокрытия (толщиной не более 3 микрометров), укладывающегося в допуски на размеры деталей, процесс упрочнения используется в качестве окончательной финишной операции;

 

• отсутствие изменений параметров шероховатости поверхности после процесса упрочнения;

 

• минимальный нагрев в процессе обработки (не более 100-120 °С) не вызывает деформаций деталей, а также  -  позволяет упрочнять инструментальные стали с низкой температурой отпуска;

 

• возможность упрочнения локальных (по глубине и площади) объемов деталей в местах износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объёме;

 

• тонкоплёночное покрытие по микротвёрдости наиболее близко к алмазоподобным покрытиям;

 

• образующиеся на поверхности упрочнения сжимающие остаточные напряжения при циклической нагрузке повышают усталостную прочность изделия (для сравнения:  после операции шлифования возникают растягивающие напряжения, ведущие к снижению усталостной прочности);

 

• высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой обеспечивает максимальную сопротивляемость истиранию (в том числе - при взаимодействии инструмента с обрабатываемым материалом);

 

• низкий коэффициент трения способствует подавлению процессов наростообразования при резании или налипания при штамповке и прессовании;

 

• формирование специфического микрорельефа поверхности способствует эффективному его заполнению смазочно-охлаждающей жидкостью при эксплуатации инструмента и деталей машин;

 

• образующееся на поверхности тонкоплёночное аморфное (стеклообразное) покрытие защищает изделие от воздействия высокой температуры (испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 100 часов при температуре 800 °С);

 

• высокая производительность упрочнения (время обработки, например, кромок вырубного штампа средних размеров может составлять несколько минут);

• простота операций по очистке и обезжириванию перед упрочнением  (отсутствие специальной предварительной подготовки);

 

• возможность упрочнения поверхностей деталей любых габаритов в ручном или автоматическом режимах;

 

• минимальное потребление и низкая стоимость расходных материалов;

 

• низкая потребляемая мощность установки для упрочнения  -  менее 6 кВт;

 

• незначительная площадь, занимаемая оборудованием  -  1-2 м2;

 

• малогабаритный плазмотрон для упрочнения (массой около 1 кг) может быть легко закреплён на манипуляторе, в руке робота, а также  -  позволяет вести обработку вручную;

 

• транспортабельность и маневренность оборудования ( масса блока аппаратуры - менее 15 кг, источника питания  -  100-200 кг);

 

• экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов при упрочнении;

 

• минимальный уровень шума, не требующий специальных мер защиты;

 

• в отличие от методов упрочнения с использованием поверхностно-активных веществ - в данной технологии отсутствуют особые требования к помещению, нет контактирования с токсичными материалами, не требуется затрат времени на выдержку в растворах и сушку обработанных деталей.

 

Технология финишного плазменного упрочнения (ФПУ)

 

Финишное плазменное упрочнение многократно повышает долговечность изделий и инструмента и является экономическим стимулом для его применения.

 

• Микротвердость практически любых материалов используемых в производстве изнашиваемых деталей после закалки составляет порядка 5 ГПа, после азотирования – до 8 ГПа, после хромирования – до 11 ГПа, после нанесения нитрида титана – до 24 ГПа. Микротвердость алмаза – порядка 72 ГПа. Микротвердость упрочняющего нанопокрытия, наносимого при ФПУ, достигает порядка 52 ГПа.

 

• Увеличение долговечности деталей связано с уменьшением коэффициента трения между трущимися поверхностями. Для пар трения он составляет: бронза по бронзе – 0,2; чугун по чугуну – 0,16; фторопласт по фторопласту – 0,05 Коэффициент трения, наносимого нанопокрытия при ФПУ, по стали Р6М5 составляет 0,07

 

• Изнашиваемые детали эксплуатируются в различных агрессивных средах, поэтому химическая стойкость материала поверхности трения очень важна. Наносимое методом ФПУ нанопокрытие является химически инертным и взаимодействует только с плавиковой кислотой.

 

• Поверхности после финишной абразивной обработки имеют значительное количество микродефектов. Большинство изнашиваемых деталей подвержены усталостному разрушению, которое напрямую зависит от концентраторов напряжений в поверхностном слое. После ФПУ кардинально изменяется топография поверхности, и залечиваются ее микродефекты, благодаря нанесению упрочняющего нанопокрытия.

 

• Высотные параметры шероховатости Ra влияют на износостойкость поверхностей трения. После ФПУ высотные параметры уменьшаются, что сказывается на уменьшении количества выкрашиваемых выступов профиля, приработочного и установившегося износа.

 

• Электромеханический износ при трении и резании негативно сказывается на долговечности деталей и инструмента.После ФПУ на поверхности образуется диэлектрическое нанопокрытие с удельным электрическим сопротивлением 106 Ом*м.

 

• В большинстве случаев после окончатльной операции шлифования на поверхности создаются растягивающие остаточные напряжения, которые стремятся раскрыть существующие микротрещины и приводят к выкрашиванию отдельных частиц поверхности. После ФПУ в поверхностном слое металла наводятся сжимающие остаточные напряжения, которые обеспечивают условия залечивания микротрещин и тем самым противодействуют усталостному разрушению.

 

• Адгезионный износ характеризуется схватыванием материала поверхностей в процессе трения. Наносимое нанопокрытие при ФПУ препятствует образованию мостиков сварки, схватыванию, налипанию материала контртела.

 

• Известно, что маслоудерживающая способность поверхности трения является интегральным показателем, прогнозирующим сопротивляемость деталей изнашиванию и коррозии. Краевой угол смачивания индустриальным маслом поверхности термообработанной стали 45 составляет 60°. Краевой угол смачивания маслом поверхности с нанопокрытием, нанесенным при ФПУ, составляет 45°.

 

• Многие детали, работающие в условиях трения и износа, испытывают дополнительно высокие температурные нагрузки, которые сказываются на интенсификации процессов износа. Испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 10 часов при температуре 900 °С не выявили заметных изменений в свойствах нанопокрытия, нанесенного при ФПУ.

 

• С точки зрения физики прочности с целью упрочнения поверхности целесообразно создавать условия обеспечивающие отсутствие выхода дислокаций на поверхность. Наносимое при ФПУ нанопокрытие является барьерным, препятствующим выходу дислокаций на поверхность.

 

• Фреттинг-коррозия является одним из известных видов износа. Исследования нанопокрытия, наносимого методом ФПУ на фреттингостойкость, показало его перспективность для промышленного использования.

 

• Выделяющийся из материалов пар трения и из окружающей среды водород вызывает ускоренное изнашивание. Масла и смазки также являются источником атомарного водорода. Нанопокрытие, наносимое при ФПУ, является эффективным средством борьбы против водородного изнашивания.

 

Примеры использования процесса ФПУ.

 

• Многократное повышение стойкости оснастки для стеклоформующих машин. Оснастка для стеклоформующих машин (черновая и чистовая форма, горловое кольцо, поддон чистой формы, плунжер, коронка, донный затор, плунжерное кольцо) предназначена для формования стеклоизделий и работает в непосредственном контакте с жидким стеклом. Формование производится в интервале температур 700-1000 °С, а формовая оснастка эксплуатируется в тяжелых условиях термоциклических нагрузок. Основными материалами для литейного изготовления формовой оснастки являются серые и высокопрочные чугуны.С целью многократного повышения долговечности формовой оснастки на её рабочие поверхности наносится алмазоподобное тонкопленочное покрытие методом ФПУ. Покрытие имеет твердость порядка 52 ГПа, является термостойким и химически инертным. При этом отпадает необходимость наплавки на рабочие поверхности износостойких порошковых материалов на основе никеля.Использование данной технологии на ООО «ТД «АзовСтекло» показало повышение стойкости формовой оснастки более чем в 5 раз.

 

• Упрочнение технологической оснастки, используемой и массовом патронном производстве. При массовом изготовлении патронов используется большое многообразие специализированного режущего инструмента, штамповой оснастки, мерительного инструмента, изготавливаемых из инструментальных сталей и твердого сплава. Одним из основных расходуемых инструментов является формообразующая оснастка, которая испытывает высокие динамические ударные нагрузки и интенсивное трение рабочих поверхностей с обрабатываемой деталью. С целью повышения твердости поверхности инструмента, уменьшения коэффициента трения между инструментом и обрабатываемой деталью, получения на инструменте химически инертного покрытия, противодействующего образованию задиров и налипания, уменьшения параметров шероховатости рабочих поверхностей инструмента, применяется технология ФПУ.Промышленные испытания упрочненной оснастки на ОАО «Тульский патронный завод» показали повышение её стойкости более чем в 3 раза.

 

• Повышение долговечности инструмента, используемого при изготовлении подшипников качения. При массовом изготовлении подшипников качения используется многообразный инструмент: режущий, кузнечный (к автомобильным линиям) инструмент полугорячей калибровки раскаткой, штамповый, высадочный, мерительный и др. Применительно к широкой номенклатуре данного инструмента предлагается использовать технологию ФПУ. С использованием этой технологии обеспечивается локальное упрочнение изнашиваемых поверхностей различного инструмента за счет нанесения тонкопленочного (до 2 мкм) алмазоподобного покрытия. Покрытие имеет следующие свойства: твердость 52 ГПа (в большинстве случаев твердость основы инструмента составляет порядка 8-14 ГПа); низкий коэффициент трения (при испытаниях на трение и износ с контртелом из материала ШХ15 коэффициент трения составляет 0,007, при тех же условиях без покрытия коэффициент трения равен 0,015); покрытие уменьшает параметр шероховатости поверхности Rа (в зависимости от исходной шероховатости) более чем в 2 раза; сохранение твердости и внешнего вида при повышенных температурах до I000оC; отсутствие взаимодействия с любыми веществами (кроме плавиковой кислоты) за счет химической инертности.Промышленные испытания упрочненного инструмента (высадочного и штампового) на ОАО «Волжский подшипниковый завод» показали повышение его стойкости в 4-6 раз.

 

• Многоразовое повышение стойкости холодновысадочного инструмента. Холодной высадкой и выдавливанием из сталей и цветных металлов изготавливают метизы (болты, гайки, шурупы), различные детали универсального назначения (звездочки, шестерни и т.п.), разнообразные формообразующие детали, испытывающие значительные динамические ударные нагрузки, абразивное изнашивающее воздействие.С целью повышения твердости поверхности инструмента, уменьшения коэффициента трения между инструментом и обрабатываемой деталью, получения на инструменте химически инертного покрытия, противодействующего образованию задиров и налипанию, для уменьшения параметров шероховатости поверхностей инструмента, применяется технология ФПУ. Промышленные испытания холодновысадочного инструмента после ФПУ на промышленных предприятиях показали повышение его стойкости в 4-6 раз.